發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟模式下水泥行業(yè)廢棄物利用的走向分析

1.循環(huán)經(jīng)濟模式的特點
 
  循環(huán)經(jīng)濟是對物質(zhì)閉環(huán)流動型經(jīng)濟的簡稱,是以物質(zhì)、能量梯次和閉路循環(huán)使用為特征的,在環(huán)境方面表現(xiàn)為污染排放,甚至污染零排放。循環(huán)經(jīng)濟把清潔生產(chǎn)、資源綜合利用、生態(tài)設計和可持續(xù)消費融為一體,是一種“促進人與自然的協(xié)調(diào)與和諧”的經(jīng)濟發(fā)展模式,它運用生態(tài)學規(guī)律把經(jīng)濟活動組織成一個“資源一產(chǎn)品一再生資源”的反饋式流程,實現(xiàn)“低開采、高利用、低排故”,以最大限度地利用進入系統(tǒng)的物質(zhì)和能量,提高資源利用率;最大限度地減少污染物排放,提升經(jīng)濟運行質(zhì)量和效益,并保護生態(tài)環(huán)境。因此,循環(huán)經(jīng)濟本質(zhì)上是一種生態(tài)經(jīng)濟。
 
  在工業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)中,物質(zhì)的流動有以下三種循環(huán),或稱三個層面上的循環(huán):①小循環(huán)——企業(yè)內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán),②中循環(huán)——企業(yè)之間的物質(zhì)循環(huán),③大循環(huán)——工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)使用報廢后,其中部分物質(zhì)返回原工業(yè)部門,作為原料重新利用。發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,一般更加重視的是大循環(huán),因為在經(jīng)濟規(guī)?;痉€(wěn)定的情況下,大循環(huán)在提高資源效率方面的作用很大。
減量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循環(huán)(Recycle),簡稱3R原則是循環(huán)經(jīng)濟的實際操作原則。減量化原則屬于輸入端方法,旨在減少生產(chǎn)和消費過程的物質(zhì)量,從源頭節(jié)約資源使用和減少污染物的排放。再利用原則屬于過程性方法,目的是提高產(chǎn)品和服務的利用效率,要求產(chǎn)品和包裝容器以初始形式多次使用,減少一次性用品的污染。再循環(huán)原則屬于輸出端方法,要求物品完成使用功能后重新變成再生資源。
 
  在發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟時,要注意“減量化、再使用、再循環(huán)”(3R)三原則之間的優(yōu)先排序問題。在企業(yè)內(nèi)部和企業(yè)之間,首先應考慮的是“減量化”,也就是要先考慮盡可能減少各工序和整個企業(yè)的廢物產(chǎn)生量,以及天然資源的消耗量,然后才是這些廢物的循環(huán)問題。在產(chǎn)品的使用和報廢問題上,首先應考慮“再使用”,也就是要先考慮盡可能延長產(chǎn)品的使用壽命,減少一次性使用的產(chǎn)品,然后才是產(chǎn)品報廢后的循環(huán)問題。這些原則及其優(yōu)先排序問題,在我國顯得格外重要,因為有不少企業(yè)在“減量化”、清潔生產(chǎn)方面水平還較低,不少產(chǎn)品在“再使用”、延長使用壽命方面考慮得還不夠。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則,也有人在以上3R原則基礎上提出需要增加重組化原則(Reorganize),即以追求生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)最優(yōu)化運行為目標。針對產(chǎn)業(yè)鏈的全過程,通過對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重組與轉(zhuǎn)型,達到系統(tǒng)的整體最優(yōu)。以環(huán)境友好的方式利用自然資源和提升環(huán)境容量,實現(xiàn)經(jīng)濟體系向提供高質(zhì)量產(chǎn)品和功能性服務的生態(tài)化方向轉(zhuǎn)型,力求生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)在環(huán)境與經(jīng)濟綜合效益最優(yōu)化前提下可持續(xù)發(fā)展。
 
  總的說來,循環(huán)經(jīng)濟體系就是將環(huán)境與經(jīng)濟結(jié)合起來,主要包括四個方面:一是資源和能源使用效率最大化;二是通過工業(yè)企業(yè)、消費者和政府共同努力使社會整體利潤最大化;三是建立一種新的循環(huán)工業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu);四是優(yōu)先發(fā)展與環(huán)境相關(guān)的工業(yè)。
發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的直接目的是提高資源效率,即:提高用單位天然資源所能生產(chǎn)出來的產(chǎn)品量(或產(chǎn)值,或服務量)。資源效率提高了,環(huán)境效率也會得到相應的提高。研究表明:即使是在美國、德國、日本和荷蘭等發(fā)達國家,至少一半以上的資源在采掘后不到一年就回到自然界中。從國家層面上分析,所有循環(huán)利用的物質(zhì)量都沒有超過原生物質(zhì)的15%。由此可見,在人類社會總的物質(zhì)需求耗用中,單位時間內(nèi)能夠得以循環(huán)的比率還是太少,對廢棄物的綜合治理利用是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要方面。
 
  在我國那些沒有進入經(jīng)濟系統(tǒng)或者由經(jīng)濟系統(tǒng)排出卻不再返回的物質(zhì)堆成了渣山或者垃圾山、成為生態(tài)系統(tǒng)的“腫瘤”,其中的有毒有害物質(zhì)則經(jīng)過自然或人工的遷移進而引起環(huán)境健康和安全問題。目前我國工業(yè)固體廢棄物的每年產(chǎn)生量已經(jīng)超過了8億噸,累計的堆存量超過67億噸,占用土地接近0.1萬平方公里。2004年,全國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生12.0億噸,工業(yè)固體廢物排放1792.0萬噸,工業(yè)固體廢物綜合利用6.8億噸,危險廢物產(chǎn)生量963.0萬噸。目前國內(nèi)工業(yè)危險廢棄物的處置以焚燒為主,2004年全國危廢焚燒總量達到21.7萬噸,多數(shù)危廢集中處置廠技術(shù)水平低,達不到國家的技術(shù)標準,運轉(zhuǎn)率僅僅為40%左右,危廢處置存在巨大的產(chǎn)能缺口。
 
表1 全國工業(yè)固體廢物產(chǎn)生及處理情況      單位:萬噸
年度
產(chǎn)生量
排放量
綜合利用量
貯存量
處置量
合計
危廢
合計
危廢
合計
危廢
合計
危廢
合計
危廢
1999
78442
1015
3880
36
35756
465
26295
397
10764
132
2000
81608
830
3186
2.6
34751
408
28921
276
9152
179
2001
88746
952
2894
2.1
47290
442
30183
307
14491
229
2002
94509
1000
2635
1.7
50061
392
30040
383
16618
242
2003
100428
1171
1941
0.3
56040
425
27667
423
17751
375
2004
120030
995
1762
1.1
67796
403
26012
343
26635
275
 
  進入21世紀以來,全國年生活垃圾清運總量已經(jīng)躍過1億噸的門檻,2004年垃圾清運總量為1.4億噸,估計2005年將達到1.5~1.6億噸。目前我國城市生活垃圾的處置水平有較大的發(fā)展,主要城市生活垃圾的處置率已經(jīng)超過50%,生活垃圾焚燒發(fā)電也開始成為我國垃圾處理的新趨勢,近年來投產(chǎn)的生活垃圾處理的項目多數(shù)為垃圾焚燒發(fā)電項目。這些項目投資相對較高,噸投資高達20~70(萬元,天)/噸,生活垃圾的發(fā)電量大致為150~400度/噸垃圾,目前垃圾發(fā)電廠主要集中分布在沿海大中城市。因此大力推廣生活垃圾發(fā)電技術(shù)投資很高、二次污染沒有根除,大力推廣垃圾發(fā)電技術(shù)很難適應我國廣大地區(qū)的需要。
自1998年以來,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化水平的提高,全國的污水排放總量一直持續(xù)增加,2004年全國污水排放量總計482.4億噸,工業(yè)污水排放量221.1億噸,生活污水排放量261.3億噸,城鎮(zhèn)生活污水處理率32.3%,重要工業(yè)企業(yè)污水處理率達到91.8%。按照0.4~1%的濃縮污泥形成量估算,目前全國年形成污泥總量將超過1億噸,而目前全國污泥的處置水平很低,多數(shù)工業(yè)污泥尚沒有得到很好的處理。
 
2、在循環(huán)經(jīng)濟模式下水泥工業(yè)生產(chǎn)過程的獨特性
 
  目前中國水泥行業(yè)正在進行著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整,新型干法水泥獲得了長足的發(fā)展。到2003年底,中國已有近300條新型干法水泥生產(chǎn)線投產(chǎn),新型干法水泥產(chǎn)量已達1.99億t,占總產(chǎn)量的23%。2004年,新型干法水泥產(chǎn)量突破3.15億t,占總產(chǎn)量的32.4%。預期到2005年末新型干法水泥產(chǎn)量將突破4.10億t,占總產(chǎn)量的40%以上,新型干法水泥的增長量和增長百分數(shù)均超過立窯,成為我國水泥工業(yè)發(fā)展又一個轉(zhuǎn)折點。
 
  近些年中國水泥行業(yè)的技術(shù)發(fā)展很快,目前國內(nèi)水泥行業(yè)生產(chǎn)先進水平已經(jīng)基本達到或接近國際水平,但在廢棄物規(guī)?;谩U氣排放和粉塵治理等方面上卻存在著很大的差距。因此水泥工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)從規(guī)模的擴張和生產(chǎn)技術(shù)的升級換代過渡到追求節(jié)能、降耗、環(huán)保和資源的合理利用的先進技術(shù)的開發(fā)上。
表2  國內(nèi)外5000~6000tpd規(guī)模生產(chǎn)線技術(shù)對比
項目
單位
國際先進水平
國內(nèi)先進水平
熟料熱耗
kJ/kg.熟料
2955~2970
2970
水泥電耗
kWh/t水泥
90
95
勞動生產(chǎn)率
t/人.年
≥10000
≥5000
生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)率
%
≥95
≥92
熟料質(zhì)量指標
MPa
≥60
≥60
NOx排放
mg/m3
≤500
>800
粉塵排放
mg/m3
≤30
30~50
廢氣發(fā)電量
kWh/生產(chǎn)線
5500
5500
廢棄物替代燃料率
%
≥50
/
工業(yè)廢棄物利用量
kg/t水泥
>350
/
 
  作為嚴重的資源依賴型行業(yè),水泥工業(yè)的發(fā)展需要大量的礦產(chǎn)資源作為依托,從水泥行業(yè)常用的原料的循環(huán)利用率來講,目前在全世界范圍內(nèi)水泥工業(yè)的主要原料依舊是以天然原料為主,對形成水泥熟料礦物的主要元素不可能形成穩(wěn)定的閉循環(huán)。以基準的產(chǎn)品形成量為例解說水泥生產(chǎn)過程中物質(zhì)的循環(huán)特點,生產(chǎn)1kg的水泥產(chǎn)品,大約需要0.75~0.9kg熟料礦物和0.1~0.25kg混合材料及其他輔助材料,在磨制水泥過程中已經(jīng)大量使用礦渣、粉煤灰等其他工業(yè)門類形成的無機固體廢棄物作為混合材料,具有很好的消納能力。目前生產(chǎn)1kg熟料,大約需要~1.3kg的石灰石、0.3kg的粘土質(zhì)原料、0.15kg左右的煤炭。替代原料占整個熟料生產(chǎn)過程中的比重并不高,尤其以消耗量最大的鈣基原料為甚,目前世界范圍內(nèi)水泥窯用替代燃料的開發(fā)進行得較好,部分水泥廠甚至可以100%使用替代燃料,在發(fā)達國家替代燃料的利用率接近了30%。綜上所述,水泥行業(yè)在自身并不能形成主要原材料的大的循環(huán)量,相反,借助替代原燃料的規(guī)?;瘧脜s可以消納其他行業(yè)形成的廢棄物。
 
  水泥生產(chǎn)過程中要求高溫煅燒,水泥熟料礦物在水化過程中形成的C-S-H礦物體系還可以將重金屬固化。因此水泥行業(yè)在處置以有機可燃物和重金屬為主要污染物的工業(yè)廢棄物上具有天然的優(yōu)勢,完全可以作為部分工業(yè)廢棄物最終處置的載體使用。和專業(yè)的焚燒爐相比,水泥回轉(zhuǎn)窯的處理溫度高、焚燒空間大、熱容量高、焚燒停留時間長,更強的熱穩(wěn)定性和抗波動能力,并具有更高的運轉(zhuǎn)率,因此它必然具有更大的處理規(guī)模,水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)呈堿性氣氛,因此廢棄物燃燒后釋放的HCl、SO2等酸性氣體可以和CaO等堿性化合物結(jié)合形成鹽類,固定下來,避免了燃燒尾氣的二次污染。在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi),廢棄物焚燒后形成的灰渣作為水泥熟料的組成成分被礦物化或吸收,穩(wěn)定固化于水泥熟料中。通過控制廢棄物中的重金屬的成分濃度,可以保證熟料中固化的重金屬在水泥或者混凝土制品中低的釋放水平,滿足環(huán)保法令的要求。沒有灰渣的二次處理及污染防治的要求。簡化了廢氣的處理流程。美國國家環(huán)境保護署監(jiān)測結(jié)果表明,當水泥回轉(zhuǎn)窯使用廢棄物替代原燃料時,空氣中的有害物排放量并沒有增加,也不會形成新的污染。利用水泥回轉(zhuǎn)窯處理城市工業(yè)廢棄物在生產(chǎn)過程中沒有廢棄料產(chǎn)生,熱能和物質(zhì)都能得到充分利用,并能取代優(yōu)質(zhì)燃料和天然原料,被國際上公認為焚燒處理城市工業(yè)廢棄物最有效的方法。因此水泥回轉(zhuǎn)窯是目前處置工業(yè)廢棄物尤其是危險廢棄物的良好的平臺,水泥行業(yè)可以作為其他行業(yè)的廢棄物終端處置平臺,對廢棄物處置形成封閉,減少了新污染源的產(chǎn)生。
 
  水泥行業(yè)可利用的廢棄物依照其有益組分的含量不同,可分為作為替代原燃料使用的廢棄物以及利用水泥窯系統(tǒng)處置的危險廢棄物兩個大的類別。和發(fā)達國家相比,目前我國水泥行業(yè)尚沒有形成對工業(yè)廢棄物的規(guī)?;瘧?,從我國水泥行業(yè)目前的工業(yè)非危險類廢渣主要是在混合材料中占有較大的比重,而需要經(jīng)過預處理再作為廢棄物替代原料或者廢棄物替代燃料尚沒有形成規(guī)模應用。利用水泥窯處置危險廢棄物則國內(nèi)也僅有北京水泥廠投入實際運行中。
 
  目前水泥行業(yè)廢棄物的利用主要集中在利用工業(yè)爐廢渣作為混合材料和部分原材料的替代物使用,尚沒有充分發(fā)掘水泥行業(yè)在廢棄物循環(huán)利用及優(yōu)化處置等方面的天然優(yōu)勢。目前我國水泥工業(yè)發(fā)展的水平不僅在廢棄物的規(guī)?;蒙吓c國際先進水平存在著較大的差距,而且在廢棄物利用的范圍和種類上也和國際水平有很大的差距。
 
 
  從國內(nèi)廢棄物處置的現(xiàn)狀來看,目前國內(nèi)廢棄物處理主要在生活垃圾的綜合利用、污泥尤其是高水含量的市政污泥的綜合利用和工業(yè)危險廢棄物的處置等方面,本文就以上不同廢棄物類型在水泥行業(yè)的應用前景進行簡要的分析。
作為水泥生產(chǎn)企業(yè),廢棄物的處置必須以不影響水泥產(chǎn)品生產(chǎn)為宗旨。從生產(chǎn)工藝控制的角度看,廢棄物的水分、熱值、灰分組成、有害元素(硫、氯、堿金屬)含量、重金屬的豐度、進入窯系統(tǒng)的分散狀態(tài)等因素將對熟料的煅燒具有較大的影響,在熟料中重金屬含量還對水泥產(chǎn)品的性能還具有一定的影響,有害元素和重金屬以及部分有機焚燒產(chǎn)物對大氣污染排放物也具有一定的影響。廢棄物的物性形貌的差異很大,來源和待處理量的隨機性很強,因此從提高水泥窯系統(tǒng)的處理效率的要求來看,對廢棄物進行以調(diào)熱、均質(zhì)、穩(wěn)定化為特征廢棄物預處理工藝是很有必要的。在中國國內(nèi)尚沒有專業(yè)的廢棄物預處理行業(yè),因此水泥行業(yè)處置廢棄物則多數(shù)需要考慮附設廢棄物預處理車間。下表為各類廢棄物對工藝處置技術(shù)的影響程度對比。
表3  不同廢棄物處置的工藝性能要求比較
 
城市生活垃圾
有機質(zhì)污泥
工業(yè)危廢
平均含水量
(%)
60~80
~70
>60
平均低位熱值
kcal/kg
1200~1500
1400~2000
不確定
主要有害元素
Cl、Na、S
S、Na、K
S、Na、K、Cl
重金屬含量
低,微量
微量
因類別定峰值
灰分含量
(%)
<20
<15
<10
主要灰分組成
硅鋁鈣混合物
硅鋁鈣混合物
硅鋁鈣混合物
灰分成分的穩(wěn)定性
較穩(wěn)定
最穩(wěn)定
波動大
燃爆可能性
來源穩(wěn)定性
季節(jié)/地域波動
較好
很差
成分波動變化
季節(jié)波動
基本穩(wěn)定
焚燒主要形成污染物
飛灰、NOx、SOx、POPs
預處理破碎要求
一般
預處理均化要求
一般
預處理輸送要求
一般
一般
處置收益
元/噸
<150
100~300
>800
噸投資額
中等
低廉
較高
 
  顯然,幾乎所有廢棄物其水分含量均較高,因此可以基本忽視水分對處置不同廢棄物的工藝性能的顯著性分析影響。由于有機物分解焚燒的要求,這些廢棄物自身的熱值往往不能夠作為有效的熱源在窯爐系統(tǒng)內(nèi)的能量傳遞、物質(zhì)傳遞、動量傳遞及化學反應的復雜的物理化學過程中被有效使用,廢棄物的處置不可避免的降低了系統(tǒng)的有效功,往往會表現(xiàn)為廢棄物的處置導致系統(tǒng)熱耗的輕微的上揚。由于廢棄物中有害元素的含量要遠遠高于普通的水泥原料,對系統(tǒng)的消納能力,影響最大的通常是廢棄物中氯、硫和堿金屬元素的含量。重金屬因其絕對數(shù)量較少,對系統(tǒng)操作的影響小,但由于水化礦物對重金屬的禁錮作用的不同,作為水泥產(chǎn)品性能對其總量有一定的要求,此外飛灰中重金屬的富集也對系統(tǒng)收塵設備有更高的要求。窯內(nèi)的反應是固相反應過程為主,入窯干生料混合物成分的均勻和穩(wěn)定對窯內(nèi)物料的煅燒具有先決的基礎性作用,而對比于正常的生產(chǎn)過程,引入廢棄物處置將顯著降低入窯干生料的均化效果,因此在規(guī)模化處置廢棄物需要注意確保加入窯系統(tǒng)的物料的成分的穩(wěn)定和總量的平衡。這就要求對廢棄物的品質(zhì)和預處理水平提出較高的要求,而危廢的處置因其來源的不穩(wěn)定和處置量的隨機性導致其需要通過配料、破碎、調(diào)質(zhì)、混合、均化等多道工藝環(huán)節(jié)才能滿足要求,而污泥由于自身生產(chǎn)工藝導致其成分較穩(wěn)定,有害元素的分布較均勻。因此其預處理工藝主要是滿足易于輸送及入窯爐后分散良好的要求,處置流程相應比較簡單。生活垃圾的預處理其關(guān)鍵在分選、破碎。
 
  多數(shù)的水泥廠由于城市規(guī)劃及原燃料的制約往往離中心城市有一定的距離,因此在處置利用干基廢棄物含量較小的生活垃圾及污泥類廢棄物時必須考慮到長距離運輸?shù)呢摵梢约霸谳斔瓦^程中的泄漏對環(huán)境的負面影響。生活垃圾由于容重低,即使是通過中轉(zhuǎn)站進行機械壓縮,其密度仍然很低,長距離的輸送對水泥生產(chǎn)企業(yè)處置生活垃圾具有尤其不利的影響。
 
4、北京水泥廠廢棄物利用示范線
 
  長期以來,天津水泥工業(yè)設計研究院對國內(nèi)外水泥行業(yè)廢棄物綜合利用的技術(shù)動態(tài)進行了詳盡的技術(shù)跟蹤,并配合以北京水泥廠有限責任公司為代表的部分國內(nèi)水泥企業(yè)對廢棄物的綜合處置及利用進行了深入的技術(shù)研究。隨著對廢棄物處置技術(shù)的分析以及水泥行業(yè)自身特性的匹配,天津水泥工業(yè)設計研究院系統(tǒng)地完成了水泥窯處置工業(yè)廢棄物的技術(shù)攻關(guān),形成了漿化和顆?;瘍煞N流程并舉的廢棄物處置思路,保障了水泥窯安全、有效、經(jīng)濟的處置工業(yè)危險廢棄物。
表4  本項目處置廢棄物類別及能力
廢棄物種類
飛灰
爐渣
廢白土
工業(yè)污泥
低熱值廢
破碎固廢
合計
年處理量 (萬t/年)
0.3
3.7
1.0
2.0
1.0
2.0
10
小時處理量 (t/h)
0.8
10.0
3.0
6.0
3.0
5.0
 
運轉(zhuǎn)率 (%)
43
42
38
38
38
46
 
 
  北京水泥廠有限責任公司自上世紀90年代就已經(jīng)開始利用水泥窯系統(tǒng)處置廢棄物的研究工作,在天津水泥院與北京水泥廠有限責任公司的協(xié)作努力下,該公司綜合利用城市工業(yè)示范線工程于2002年立項,2003年進行工程設計,同年開始施工安裝工作,焚燒系統(tǒng)于2004年5月完成調(diào)試,投入運行。廢棄物處理系統(tǒng)于2004年年底開始設計,2005年施工及安裝工作,2005年10月預處理系統(tǒng)投入正常運行。廢棄物處置能力良好,系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
 
  圖1為廢棄物預處理的主要工藝流程。污泥通過和生料的在雙軸攪拌機中混合調(diào)整粘度,形成以污泥生料小球,經(jīng)過皮帶機輸送進入流態(tài)化分解爐。其他的工業(yè)危險廢棄物通過搭配進料,經(jīng)破碎機進入混合器,并依據(jù)物性添加部分廢液,調(diào)質(zhì)形成漿狀物,經(jīng)柱塞泵輸送到窯尾煙室,利用壓縮空氣作為打散介質(zhì),呈不規(guī)則塊狀物入窯。部分替代燃料則依賴三級破碎制備成<10mm的顆粒,通過燃燒器入窯。
 
 
5、結(jié)論
 
  利用水泥窯處置工業(yè)危險廢棄物、污泥和生活垃圾等廢棄物,一方面消減了其他行業(yè)無法進行循環(huán)利用的廢棄物,有利于形成物質(zhì)的良性的循環(huán),并達到廢棄物資源化利用的目的,而另一方面則利用了水泥窯的高熱環(huán)境,減少了廢棄物處置的成本。在整個社會的層面上利用有效的跨行業(yè)合作也降低了有害物質(zhì)和溫室氣體的排放總量。

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